搜索
食品工业中的超微粉碎技术主讲人：林向阳生物科学与工程学院引言随着中国加入WTO，同时进入第十个五年计划时期，我国的食品工业正面临着前所未有的机遇与挑战，加强各项现代高新技术在食品的研究、开发、生产过程中的应用，以促进食品的升级换代，提高产品技术含量是当务之急。粉碎技术是指利用机械力的方法来克服固体物料内部凝聚力，以达到使之破碎的操作技术。粉碎技术是食品工业中一项重要的单元操作，既可满足某些食品消费和生产的需要，又可增加固体表面积，以利于后道处理程序的顺利进行。但随着现代食品工业的不断发展，普通的粉碎手段已开始不能适应现代工业生产的需要，这就使得超微粉碎技术得到了迅猛的发展。超微粉碎是将各种物质粉碎成直径20μm的微粒，其微粒具有微粉的特征，这是七十年代以后为适应现代高新技术的发展而派生的一种物料加工新技术。经过超微粉碎的物质，具有巨大的表面积和孔隙率，很好的溶解性，很强的吸附性、流动性。由于加工条件的优化，加工出来的产品在短时（甚至是瞬间）、低温、干燥、密封的条件下获得，因而避免了营养成分的流失和变化，避免了污染，同时可对物料进行最大限度的利用，也给制造新型食品提供了极为方便的工艺条件。本课程在此对食品工业中的超微粉碎技术的原理、分类、方法、生产设备及其在食品工业中的应用进行阐述。超微粉碎技术是近20年来国际间发展起来的新技术。所谓超微粉碎，是指利用机械或流体动力的方法克服固体内部凝聚力使之破碎，从而将3毫米以上的物料颗粒粉碎至10-25微米，操作技术，是20世纪70年代以后，为适应现代高新技术的发展而产生的一种物料加工高新技术。1超微粉碎技术的定义超微粉碎技术是指利用机械力的方法克服固体物料（通常是粒度为0.5—5mm的原料）的内部凝聚力，达到使之粉碎（成品粒度在10－20um以下）的操作技术。2超微粉碎技术的原理2.1粉碎的分级要求物料的微细化过程即是物料的粉碎过程。根据原料和成品颗粒的大小或粒度，粉碎大概可分为粗粉碎、细粉碎、微粉碎（超细粉碎）和超微粉碎４种类型（见表１）。表1粉碎的类型粉碎类型原料粒度成品粒度粗粉碎10－100mm5－10mm细粉碎5－50mm0.1－5mm微粉碎5－10mm＜100um超微粉碎0.5－5mm＜10－20um粉碎前后的粒度比称为粉碎比或粉碎度，它主要指粉碎前后的粒度变化，同时近似反映出粉碎设备的工作情况。一般粉碎设备的粉碎比为3－30，而超微粉碎设备粉碎比大于300。对于一定性质的物料来说，粉碎比主要与确定粉碎作业程度、选择设备类型和尺寸等方面有关。超微细粉末的应用超微细粉末是超微粉碎的最终产品，具有一般颗粒所没有的特殊理化性质，如良好的溶解性、分散性、吸附性、化学反应活性等。因此超微细粉末已广泛应用于食品、化工、医药、化妆品农药、染料、涂料、电子及航空航天等许多领域上。技术特点速度快可低温粉碎超微粉碎技术是采用超音速气流粉碎、冷浆粉碎等方法，与以往的纯机械粉碎方法完全不同。在粉碎过程中不会产生局部过热现象，甚至可在低温状态下进行粉碎，速度快，瞬间即可完成，因而最大限度地保留粉体的生物活性成分，以利于制成所需的高质量产品。技术特点粒径细且分布均匀由于采用超音速气流粉碎，其在原料上力的分布相当均匀。分级系统的设置，既严格限制了大颗粒，有避免出现过碎，得到粒径分布均匀的超细粉，同时很大程度上增加了微粉的比表面积，使吸附性、溶解性等亦相应增大。技术特点节省原料提高利用率物体经超微粉碎后，近纳米细粒径的超细粉一般可直接用于制剂生产，而常规粉碎的产物仍需要一些中间环节，才能达到直接用语生产的要求这样很可能造成原料浪费。因此，该技术尤其适合珍贵稀少原料的粉碎。技术特点减少污染超微粉碎是在封闭系统下进行，既避免了微粉污染周围环境，又可防止空气中的灰尘污染产品。故在食品及医疗保健品中运用该技术，微生物含量及灰尘便得以控制。粉碎方法磨介式粉碎磨介式粉碎是借助与运动的研磨介质(磨介)所产生的；中击，以及非；中击式的弯折、挤压和剪切等作用力，达到物料颗粒粉碎的过程。磨介式粉碎过程主要为研磨和摩擦，即挤压和剪切。其效果取决于磨介的大小、形状、配比、运动方式、物料的填充率、物料的粉碎力学特性等。磨介式粉碎的典型设备有球磨机、搅拌磨和振动磨3种。粉碎方法球磨机是用于超微粉碎的传统设备，产品粒度可达20-40微米。当要求产品粒度在20微米以下，则效率低、耗能大、加工时间长。搅拌磨是在球磨机的基础上发展起来，主要由研磨容器搅拌器、分散器、分离器和输料泵等组成。工作时在分散器高速旋转产生的离心力作用下，研磨介质和颗粒浆料；中向乏器内壁，产生中击性的剪切、摩擦和挤压等作用，将颗粒粉碎。搅拌磨能达到产品颗粒的超微化和均匀化，成品的平均粒度最小可达到数微米。振动磨是利用磨介高频振动产生的；中击性剪切、摩擦和挤压等作用将颗粒粉碎的，所得到的成品平均粒度可达2-3微米以下而且粉碎效率比球磨机高得多，处理量是同容量球磨机的下10倍以上。粉碎方法气流式超微粉碎气流磨可用于超微粉碎，是以压缩空气或过热蒸汽，通过喷嘴产生的超音速高湍流气流作为颗粒的载体，颗粒与颗粒之间或颗粒与固定板之间发生冲击性积压、磨擦和剪切等作用，达到粉碎目的。气流磨与普通机械式超微粉碎机相比，气流粉碎机可将产品粉碎得很细（粉品细度可达2~40微米），粒度分布范围更窄，即粒度更均匀。气体在喷嘴处膨胀可降温，粉碎过程没有伴生热量，粉碎温升很低。对于低熔点和热敏性物料的超微粉碎特别重要。气流粉碎能耗大，能量利用率只有2%左右，一般认为要高出其他粉碎方法数倍。粉碎方法值得指出的是，一般认为产品粒度与喂料速度成正比，即喂料速度愈大，产品粒度也愈大这种理解不全面。当喂料速度或粉碎机内颗粒浓度达到一定值后，这个说法是合理的。喂料速度增大，粉碎机内颗粒浓度也增加，发生颗粒拥挤现象，甚至颗粒流动像柱塞一样，只有在柱塞前沿的颗粒，才有发生有效碰撞的可能，在后面的颗粒只有相互之间低速的碰撞和摩擦、发热。这并不是说颗粒浓度愈小，产品粒度愈小，或者粉碎效率愈高。恰恰相反，当颗粒浓度低到一定程度，颗粒之间将缺少碰撞机会而降低粉碎效率。粉碎方法机械剪切是超微粉碎现有大部分粉碎方法多为冲击式。对于脆性大、韧性小的物料，这些方法是恒之有效。基于农产品深加工的发展，特别是新鲜或含水最高的高纤维物料（多为韧性物料和柔性物料）的粉碎，气流冲击粉碎反而效果不好，反映在产品粒度大、能耗高、这类物质的粉碎用剪切式比较合适。超微粉碎的方法很多，但是目前在食品加工中应用较多的是气流式中的超音速式超微粉碎方法。超微粉碎技术的应用人们的生活水平不断提高，对食品的要求也愈来愈重视。这就对食品的加工技术提出了更高的要求，既要保证食品良好的口感，又要保证营养成分不被破坏，而且还要更有利于人体的吸收。超微粉碎技术根据其特点，应用于食品加工领域，恰恰可以达到上述的一些效果。对食品进行微粒超微化处理，可以使其比表面积成倍增长，提高某些成分的活性、吸收率，并使食品的表面电荷、粘力发生奇妙的变化。超微粉碎技术的应用小麦麸皮、燕麦皮、玉米皮、玉米胚芽渣、豆皮、米糠、甜菜渣和甘蔗渣等，含有丰富维生素、微量元素等，具有很好的营养价值，常规粉碎的纤维粒度大，影响食品的口感，而使消费者难于接受。通过对纤维的微粒化，能明显改善纤维食品的口感和吸收性，从而使食物资源得到了充分的利用，而且丰富了食品的营养。果皮、果核经超微粉碎可转变为食品。蔬菜在低温下磨成微膏粉，既保存全部的营养素，纤维质也因微细化而增加了水溶性，口感更佳。一些动植物体的不可食部分如骨、壳(如蛋壳)、虾皮等，也可通过超微化而成为易被人体吸收利用的钙源和甲壳素。超微粉碎技术的应用各种畜、禽鲜骨中含有丰富的蛋白质和脂肪、磷脂质、磷蛋白，能促进儿童大脑神经的发育，有健脑增智之功效。鲜骨中含有的骨胶原(氨基酸)、软骨素等，有滋润皮肤防衰老的作用鲜骨中还含有维生素A、B，、B2、B12等营养成分。钙、铁等在鲜骨中的含量也极高，如猪骨中含有复合磷酸钙盐、脂质和蛋白质等主要成分。超微粉碎技术的应用一般将鲜骨煮、熬之后食用，实际上：鲜骨的营养成分没有被人体吸收，造成资源浪费。利用气流式超微粉碎技术，将鲜骨多级粉碎加工成超细骨泥或经脱水制成骨粉，既能保持95％以上的营养素，而且营养成分又易被人体直接吸收利用，·吸收率可达90％以上。骨是肉类食品厂的大宗副产品，大多以低价出售处理。因此，将骨制成富钙产品，既具有营养意义，又具有经济意义。超微粉碎技术的应用传统的饮茶方法是用开水冲泡茶叶，但是人体并没有完全吸收茶叶的全部营养成分，一些不溶性或难溶的成分，诸如维生素A、K、E及绝大部分蛋白质、碳水化合物、胡罗卜素以及部分矿物质等，都大量留存于茶渣中大大影响了茶叶的营养及保健功能。如果将茶叶在常温、干燥状态下制成粉茶，使粉体的粒径小于5微米，则茶叶的全部营养成分易被人体肠胃直接吸收，用水冲饮时成为溶液状，无沉淀。新型功能食品或添加剂1、纤维食品膳贪。纤维素被现代营养学界称为第七营养素，它可作为食物填充剂或生理活性物质，是防治现代文明病和平衡膳食结构的重要功能性基料食品。因此，增加膳食纤维的摄入是提高人体健康的重要措施。借助现代超微粉碎技术，使食物纤维微粒化，能明显改善纤维食品的口感和吸收性。新型功能食品或添加剂2、补钙食品。动物骨、壳、皮等通过超微粉碎后得到的微粉属有机钙，比无机钙容易被人体吸收、利用。这些有机钙可以作为添加剂，制成高钙高铁的骨粉（泥）系列食品，具有独到的营养保健功能，因此被誉为21世纪功能性食品。当这些有机钙粉（包括珍珠粉）的粒度小于5微米时，可用于某些缺钙食品如豆奶等的富钙。新型功能食品或添加剂3、甲壳素。蟹壳、虾壳、蛆、蛹等的超微粉末可用作保鲜剂、持水剂、抗氧化剂等，改性后还有其他许多功能性。改变传统工艺改善食品品质、降低生产成本超微粉碎，可以使部分食品加工过程或工艺产生革命性的变化。如速溶茶生产，传统的方法是通过萃取，将茶叶中的有效成分提取出来，然后浓缩、干燥制得粉状速溶茶。现在采用超微粉碎仅需一步工序便得到粉茶产品，既大大简化生产工艺，又大大降低生产成本。再者是豆粉的生产，传统的工艺是先将大豆浸泡，然后破碎、去皮、细磨脱水、干燥，如果采用干法超微粉碎技术，大豆毋须加水浸泡，便可直接破碎、超微得到豆粉产品。这样，既保留了豆皮的营养，又节省了能量，因为传统方法先加水，最后再脱水干燥，浪费很多能量。软饮料加工利用气流微粉碎技术，可开发出的软饮料有粉茶、豆类固体饮料、超细骨粉配制富钙饮料和速溶绿豆精等。如果将茶叶在常温、干燥状态下制成茶粉、使粉体的粒径小于5微米，则茶叶的全部营养成分易被人体肠胃直接吸收，可以即冲即饮。乌龙茶、红茶、绿茶、的茶粉还可加入到各种食品中，从而加工出一种全新的茶制品。新型功能食品或添加剂在牛奶生产过程中，利用均质机能使脂肪明显细化。若98%的脂肪球直径在2微米以下，则可达到优良的均质效果，口感好，易于消化。植物蛋白饮料是以富含蛋白质的植物种子和各种果核为原料，经浸泡、磨浆、均质等操作单元制成的乳状制品。磨浆时用胶体磨磨至粒径5-8微米，再均质至1~2微米。可使蛋白质固体颗粒、脂肪颗粒变小，从而防止蛋白质下沉和脂肪上浮。调味品加工微粉食品的巨大孔隙造成集合孔腔，可吸收并容纳香气经久不散，这是重要的固香方法之一，因此作为调味品使用的超微粉，其香味和滋味更浓郁、突出。超微粉碎技术作为一种新型的食品加工方法，可以使传统调味料（主要是香辛料）细碎成粒度均一、分散性好的优良超微颗粒。由于香辛料微粒粒径的不断减小，其流动性、溶解速度和吸收率均有所增大，入味效果也得到改善。新型功能食品或添加剂巧克力生产巧克力必须具有细腻滑润的良好口感，因此巧克力配料的粒度不能大于25微米。当平均粒径大于40微米时，巧克力的口感就明显粗糙。因此，只有超微粉碎加工巧克力配料才能保证巧克力的质量。瑞士、日本等国，主要采用五辊精磨机和球磨精磨机。一种适合我国国情的巧克力球磨机已经得到设计开发，粉碎细度